Как пионерные транскрипционные факторы прокладывают единственный путь, определяющий судьбу клетки

Важным прорывом в эффективном и точном программировании или репрограммировании клеточной судьбы in vitro стало использование небольшого набора молекул-«ковбоев» — пионерных транскрипционных факторов (TFs).

Каждая клетка нашего тела содержит более 200 транскрипционных факторов, которые движутся вдоль спирали ДНК и дают инструкции по активации и деактивации конкретных генов. На ранних стадиях эмбрионального развития небольшое подмножество «пионерных» TFs действует внутри клеток-предшественников, направляя их к созреванию в клетки позвоночника, сердца, печени и т.д.

Идентификация ключевых плюрипотентных пионерных TFs помогла исследователям научиться создавать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки из любого типа взрослых клеток, которые затем можно инструктировать для образования других типов клеток, формируя органоиды, имитирующие функциональную ткань органа. Более того, тканеспецифичные пионерные TFs могут напрямую репрограммировать один тип взрослой клетки в целевой, минуя плюрипотентное состояние.

В настоящее время большой интерес представляет получение терапевтических целевых клеток путем репрограммирования кожи или других доступных соматических клеток с помощью пионерных TFs, что обещает перспективы для персонализированного моделирования заболеваний и регенеративной медицины. Однако серьезной проблемой является достижение достаточной репрессии генов исходного типа клеток, поскольку ее недостаточность часто приводит к образованию «тупиковых» или гибридных клеток, ограничивая трансляционные применения.

Новое исследование, опубликованное в Molecular Cell, раскрывает важные детали о том, как пионерные TFs выполняют свою работу.

«По мере того как мы получаем более полное понимание механизмов, лежащих в основе опосредованной пионерными TFs репрессии генов, это значительно повысит точность манипулирования клеточной судьбой при программировании и репрограммировании клеток», — говорит Макико Ивафучи, доктор философии.

До этого исследования большинство экспертов полагало, что пионерные TFs функционируют в основном за счет активации генов. Однако ученые выяснили, что наша генетическая программа содержит альтернативные пути, которые необходимо активно отключать.

Как организм обеспечивает, чтобы клетки-предшественники последовательно шли по правильному пути? Оказывается, пионерные TFs делают больше, чем просто подталкивают клетки в нужном направлении. Они также «перекрывают» альтернативные пути, чтобы развивающиеся клетки продолжали развиваться как задумано.

Кто эти пионеры?

Комда из Детского госпиталя Цинциннати создала новую модель CRISPR-интерференции (CRISPRi), чтобы изучить, как пионерный фактор FOXA контролирует дифференцировку энтодермы человека во время развития печени, и как пионерный фактор OCT4 влияет на поведение плюрипотентных стволовых клеток.

Они обнаружили, что при нарушении функции FOXA клетки следовали множественным путям развития. Но при нормальной работе FOXA клетки оставались на правильном пути. Это позволило сделать вывод, что FOXA предотвращает экспрессию генов альтернативных линий и преждевременную экспрессию генов.

Команда также показала, что FOXA получает помощь в репрессии доступа к альтернативным путям от другого транскрипционного фактора PRDM1 и других эпигенетических репрессоров. Между тем, в плюрипотентных клетках пионерный фактор OCT4 выполняет аналогичную репрессорную функцию, объединяясь со связанным фактором PRDM14.

Центральная роль FOXA и его способность репрессировать пути развития стали неожиданными и критически важными открытиями, которые могут повлиять на будущие исследования органоидов и репрограммирования клеток.

Обнаружение аналогичных отношений с OCT4 стало важным дополнительным доказательством концепции, поскольку этот фактор уже известен как один из пионерных TFs, позволяющих репрограммировать соматические клетки в плюрипотентные стволовые клетки.

Теперь, когда исследователи показали, что два пионерных TF координируются с PRDM TFs для защиты клеточной судьбы, вероятно, что другие TFs имеют схожие отношения. По мере идентификации этих TF-команд может стать возможным производить органоиды и другие инженерные ткани в больших объемах с более высокой степенью согласованности и точности — шаги, важные для масштабирования технологии.